WDM波分复用器件的结构组成介绍

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目前已知WDM波分复用技术有很多种，如：FBT (熔融拉锥，Fused Biconical Taper)、FBG(光纤布拉格光栅，Fiber Bragg Grating)、TFF (薄膜滤波， Thin Film Filter)、AWG (阵列波导光栅， Arrayed Waveguide Grating)、EDG (刻蚀衍射光栅，Etched Diffraction Grating)、MZI (马赫-曾德干涉，Mach-Zehnder Interferometers)、MRR (微环谐振器型， Micro Ring Resonator)。其中TFF和AWG是最常用的两种WDM技术。本文介绍一下TFF型WDM器件的结构组成。

三端口WDM器件的结构，包括一个双光纤准直器、一个单光纤准直器和一个TFF滤光片。

TFF介质薄膜滤波片 （膜片）, 是整个WDM器件最核心元件，成本最高。TFF滤光片粘贴在双光纤准直器的准直透镜的端面上，主要功能是进行透射与反射。

普通膜片尺寸如图所示，也有特殊尺寸的。有滤波面（反射面）和增透面（透射面），滤波面的主要功能是让某种颜色的光（即对应某种波长的光）通过，让其他颜色的光反射；增透面的主要功能是让光通过膜片。一般来说，颜色较深的是反射面，颜色较浅的是透射面。

多层介质膜滤波片是一种多层高反射膜，膜层数目可多达几十层至上百层，交替由较高折射率和较低折射率的两种电介质材料组成，与滤波片基底和空气相邻的膜层具有较高折射率。将几十层不同的介质薄膜组合起来，组成具有特定波长选择特性的干涉滤波器，就可以实现将不同波长分离或合并的效果。

从光纤端发出来的光是发散的，导致不能传远！怎么办？

因此，需要用到准直器，将原本发散的光聚成一束光斑较大的平行光束，从而达到准直（平行）效果，保证相对长的传输距离。准直器是利用透镜（ C-Lens或者G-Lens）的汇聚原理。

什么东西能够使发散的光线平行传输，使平行传输的光线会聚？那就是透镜。透镜是对光束进行变换的关键部位，使用较多的是定折射率透镜（C-lens），也就是球面透镜（conventional lens），和自聚焦透镜（G-lens），又称梯析透镜（Gradient-index，GRIN）。C-lens和G-lens都具有聚焦和成像功能。两个透镜的作用是不同的，第一个透镜将发散的光线平行，第二个透镜将平行的光线汇聚。


从外观上来看，C-lens的端面一端为球面，而G-lens的一端为平面，正是因为这个原因，G-lens准直器可以将某些光学器件直接粘接在该平面上，从而使得模块可以更紧凑，这是C-lens不具备的特点。在WDM器件中输入端使用G-lens其中一个原因主要是因为它的耦合面是平的，方便滤波片的粘接。



GRIN lens的准直特性中，一个很重要的参数是节距。如下图所示，如果让一束平行光线入射进GRIN lens，其传播轨迹是遵循周期函数的模式，GRIN lens的厚度刚好为一个周期时，出射光线也讲是一组平行光线。在光纤通信中，通常使用的是1/4节距的G-lens。



将C-透镜装在光纤头的前面，外面用玻璃或金属套管封装，就做成了一个C-透镜准直器。光纤准直器由尾纤与透镜精确定位而成，利用透镜（ C-Lens或者G-Lens）的汇聚原理使原本发散的光聚成一束光斑较大的平行光束，从而达到准直（平行）效果。一般G-透镜准直器的成本要比C-透镜准直器高，所以我们大多使用C-透镜准直器。



TFF WDM器件中，输入端双光纤准直器一般采用G-lens透镜准直器，输出端单光纤准直器采用C-lens透镜准直器。



不管封装形式如何，基于Filter的WDM器件的基本光路都是如下图所示。WDM信号包括波长λ1, λ2,…λn，从公共端输入，TFF滤光片让一个波长λn透射，其他波长则被反射，因此波长λn从透射段输出，而其他波长从反射端输出。其中，一路输入的光信号被分成两路不同的光信号输出，即为分波；两路输入的光信号被合成一路混合的光信号输出，为合波。



为了将所有波长解复用，需要将n个三端口器件串联起来，组成WDM模块，如图所示，其中每个三端口器件中的TFF滤光片，其透射波长不同。WDM模块可用作解复用器或者复用器，取决于信号的传输方向。